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Criado em 11.17
Estudo sobre a flotação de floculação seletiva de alta eficiência de escória fina de gaseificação de carvão com poliacrilamida aniônica
Este estudo aborda o desafio da eficiência de classificação reduzida e da qualidade do produto comprometida devido à captura de partículas finas durante a separação por flotação de escória fina de gaseificação de carvão (CGFS). Propomos um método de flotação por floculação seletiva utilizando poliacrilamida aniônica (APAM) para alcançar a separação de alta eficiência de carbono residual e minerais inorgânicos na CGFS. Ao examinar as características de distribuição de partículas de carbono residual e minerais, investigamos sistematicamente o impacto da adição de APAM no desempenho da flotação. Além disso, foi realizada uma análise detalhada das propriedades físico-químicas dos produtos de flotação e dos mecanismos de interação entre o APAM e as superfícies minerais para elucidar os mecanismos de floculação subjacentes. Os resultados mostram que, em comparação com os processos de flotação tradicionais, a flotação por floculação seletiva baseada em APAM melhora significativamente a recuperação de carbono residual, em 14,05 %. Técnicas de caracterização, incluindo medições de potencial zeta, espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e microscopia de força atômica (AFM), revelaram que os grupos amida e ácido carboxílico do APAM interagem com as superfícies minerais por meio de ligações de hidrogênio, facilitando a formação e estabilização de flocos. Essas descobertas destacam as vantagens substanciais do APAM para a separação por flotação de carbono residual e minerais na CGFS, oferecendo uma base científica robusta para a seleção e otimização de floculantes em aplicações práticas.
Nos últimos anos, a utilização limpa e eficiente do carvão tornou-se cada vez mais importante sob os duplos imperativos da transformação da estrutura energética e da proteção ambiental. Central a esse esforço está a tecnologia de gaseificação do carvão, que melhora significativamente a eficiência da utilização do carvão e abre caminho para novas aplicações diversificadas do carvão, como a produção de combustíveis gasosos e líquidos limpos e a síntese de produtos químicos finos. Entre os vários métodos de gaseificação do carvão, a gaseificação em fluxo arrastado ganhou destaque devido à sua excepcional taxa de conversão de carbono, ampla adaptabilidade de matérias-primas e benefícios de produção eficientes. Essa tecnologia permite a conversão eficaz do carvão em gás de síntese através da reação com agentes de gaseificação—principalmente oxigênio e vapor—sob condições de alta temperatura e alta pressão, proporcionando assim uma fonte de gás estável para a síntese de produtos a jusante. No entanto, a desvantagem desse processo é a produção de escória fina de gaseificação do carvão (CGFS), um subproduto que consiste em uma mistura complexa de carbono residual não reagido e minerais inorgânicos. O alto teor de carbono residual no CGFS torna a combustão direta tanto ineficiente quanto prejudicial ao meio ambiente. Além disso, as propriedades físicas e químicas do CGFS restringem seu uso direto em materiais de construção e operações de reaterro, uma vez que não atende aos padrões nacionais e industriais para a utilização de recursos de resíduos e controle de emissões. O rápido desenvolvimento da indústria de gaseificação do carvão da China e o aumento concomitante na capacidade de produção de grandes unidades de gaseificação causaram um aumento na produção de CGFS, trazendo à tona desafios prementes relacionados ao seu tratamento e descarte. Métodos tradicionais, como o armazenamento e o aterro, não apenas consomem extensos recursos de terra, mas também apresentam riscos ecológicos de longo prazo, como contaminação do solo e da água subterrânea.
A separação de carbono residual e minerais inorgânicos em CGFS é crucial para sua utilização segura e em larga escala. Métodos de separação física, incluindo separação por gravidade, peneiramento e flotação por espuma, são cada vez mais vistos como opções atraentes devido à sua sustentabilidade ambiental e custo-efetividade. A separação por gravidade explora a diferença significativa de densidade entre o carbono residual e as partículas minerais para alcançar uma separação eficaz dos componentes. Avanços recentes incluem o enriquecimento preliminar de carbono residual em CGFS por Lv et al. usando um leito fluidizado líquido-sólido inclinado inflável, que melhorou significativamente a pureza dos produtos de carbono residual. Liu et al. descobriram que as partículas de carbono residual em CGFS predominantemente caem na faixa de tamanho de partículas de 75–180 μm. A flotação por espuma, que aproveita as diferenças na hidrofobicidade das superfícies minerais, provou ser eficaz na separação de partículas de carbono residual e minerais. Liu et al. demonstraram que sob condições ótimas de flotação, o carbono residual poderia ser enriquecido a uma pureza de 59,01 % e um teor de cinzas de 37,64 %, refletindo a utilidade do método no processamento de CGFS. Dong et al. analisaram produtos de flotação e identificaram os minerais inorgânicos em CGFS como predominantemente aluminosilicatos densos e de superfície lisa, com óxidos de ferro em menor quantidade, enquanto o carbono residual foi encontrado principalmente na forma de flocos porosos. A variação do tamanho das partículas, um fator crítico que influencia a eficácia da flotação, mostrou ter um impacto significativo na recuperação. Especificamente, um aumento na recuperação de 39,04 % para 50,93 % foi alcançado pela redução do tamanho das partículas de resíduos finos, o que destaca a importância da otimização do tamanho das partículas. Além disso, produtos químicos de flotação melhoraram muito a precisão da separação, com Xuan et al. empregando de forma inovadora agentes de captura compostos preparados a partir de ácido naftênico e querosene. Essa abordagem não apenas melhorou a eficácia da flotação, mas também reduziu a dosagem de reagentes necessária, eliminando a barreira energética entre partículas de carbono enriquecidas de alta concentração, enquanto a retinha nos componentes de cinzas enriquecidas. Assim, a flotação por espuma representa um método de separação física promissor para a remoção eficiente de carbono não queimado da escória de gaseificação.
A otimização da tecnologia de flotação por espuma é crucial para aumentar a eficiência da utilização de recursos e reduzir os custos de produção. No entanto, vários desafios fundamentais ainda precisam ser abordados. No contexto da flotação CGFS, questões como cobertura de lama fina, arraste de água e a flotação não seletiva de partículas contínuas impactam significativamente a eficiência da flotação e a qualidade do produto. Por exemplo, moléculas de água adsorvidas nos poros de carbono residual formam aglomerados, um fenômeno que varia com a estrutura dos poros. Especificamente, uma estrutura de poros mais desenvolvida correlaciona-se com uma maior dificuldade de flotação e maior consumo de reagentes. O tratamento de pré-moagem, combinado com processos de flotação secundária, também demonstrou aumentar a eficiência de descarburação do CGFS. Essa abordagem promove efetivamente a dissociação do carbono residual e das partículas minerais, expondo assim mais superfícies hidrofóbicas e reduzindo a quantidade de reagente de flotação necessária. Além disso, a aplicação de agentes de captura emulsificados mostrou-se promissora na resolução do problema do arraste de partículas finas de alto teor de cinzas e na melhoria da taxa de recuperação de combustíveis. Este método impacta positivamente o processo de flotação ao reduzir o tamanho das partículas dispersas do agente e aumentar o ângulo de contato e a hidrofobicidade da superfície do carbono residual. A tecnologia de pré-tratamento ultrassônico oferece uma solução inovadora para os desafios associados à flotação de partículas de carbono-cinza fortemente conectadas. Essa tecnologia não apenas facilita a separação eficaz de partículas finas de cinzas do CGFS, mas também melhora a qualidade do carbono enriquecido resultante, que apresenta uma alta geração de calor em baixo nível e uma estrutura de poros mais desenvolvida. Apesar desses avanços, a presença de grupos funcionais contendo oxigênio no CGFS reduz sua hidrofobicidade. Isso, combinado com sua estrutura de poros bem desenvolvida e alta área de superfície específica, resulta em alto consumo químico durante a flotação, tornando o processo mais caro.
Para abordar essa questão, Zhang et al. propuseram um método inovador de selagem de poros que efetivamente impede que o agente de captura entre nos canais de poros através da adesão de poeira de carvão, ao mesmo tempo em que aumenta os locais de adsorção para o agente de captura. Este método tem potencial para melhorar a recuperação de carbono residual durante a flotação. Além disso, a técnica de floculação dispersiva seletiva fornece uma estratégia de otimização alternativa ao manipular as forças interativas entre partículas adsorvidas. Ao construir uma camada hidrofílica nas superfícies das partículas de cinzas, essa técnica permite uma transição de aglomeração seletiva carbono-cinzas para aglomeração seletiva carbono-carbono, o que melhora a eficiência de separação e reduz o consumo de reagentes. Entre eles, floculantes de alto peso molecular, como poliacrilamida (PAM), cloreto de alumínio polimérico (PAC), álcool poliacrilovinílico (PVA) e poliacrilato de sódio (PAAS), têm sido amplamente utilizados devido às suas excelentes propriedades de floculação. Esses floculantes geralmente contêm uma alta densidade de grupos hidrofílicos (por exemplo, grupos amino e hidroxila) ao longo de suas cadeias moleculares, o que lhes permite facilitar a floculação de minerais finamente granulados enquanto inibem a flotação de componentes minerais indesejados. Estudos mecanicistas demonstraram que os grupos carboxila resultantes da hidrólise da PAM podem adsorver seletivamente nas superfícies minerais, influenciando significativamente o comportamento de flotação dos minerais. Xia et al. observaram que, na separação por flotação de um sistema de lama de carvão-caulim, a poliacrilamida aniônica (APAM) floculou efetivamente a fração de caulim, inibindo assim sua flotação e aumentando o rendimento de produtos de carvão refinado. Além disso, a poliacrilamida, com suas características hidrofóbicas, apresenta vantagens substanciais no desempenho de floculação ao permitir floculação seletiva através de interações hidrofóbicas. Isso resulta em uma melhor recuperação de minerais-alvo e qualidade geral do produto. Assim, a incorporação de floculantes contendo grupos hidrofóbicos pode aumentar significativamente a eficiência do processo combinado de floculação-flotação, particularmente no tratamento de minerais microfinos, como escória de gasificação.
O presente estudo tem como objetivo investigar a aplicação potencial da substância de baixo custo e amplamente utilizada, o poliacrilamida aniônica (APAM), como floculante no processo de flotação, com um foco particular em sua eficácia na resolução de problemas de arraste de partículas finas. Através da avaliação sistemática do impacto da adição de APAM nos produtos de flotação e da análise de suas propriedades físico-químicas, os autores buscam elucidar os mecanismos subjacentes à ação do APAM dentro do sistema de flotação. Para alcançar isso, técnicas avançadas de caracterização — incluindo medições de potencial zeta, espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e microscopia de força atômica (AFM) — foram utilizadas para analisar minuciosamente os mecanismos de interação entre o APAM e as superfícies minerais. Em última análise, espera-se que esta pesquisa amplie a compreensão do comportamento do APAM em sistemas de flotação e ofereça uma base teórica para a separação eficiente de minerais de grãos finos.
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